機載激光LiDAR的運用領(lǐng)域及誤差消除方法

　　一、機載LiDAR技術(shù)概述

　　LiDAR是基于激光雷達技術(shù)的基礎上形成的一種新技術(shù)，也被人們廣泛的稱(chēng)之為航空激光掃描探測技術(shù)，是一種安裝在飛機上的機載激光探測設備與測距系統，可以準確的測量出地面物體的三維坐標。LiDAR技術(shù)在目前的應用中主要是主動(dòng)進(jìn)行的，是針對地面、地形進(jìn)行觀(guān)測的一種測量體系，它最早出現于本世紀初期，是集激光測距技術(shù)、慣性測量單元、GPS定位技術(shù)和激光雷測繪技術(shù)為一體的現代化技術(shù)領(lǐng)域，該技術(shù)的應用使得實(shí)時(shí)信息獲取和控制方面取得了重大突破，為高時(shí)空分辨率在地球空間信息資源中的應用提供了全新的理論技術(shù)和指導依據。其中機載LiDAR設備在飛行中以每秒40萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，側向60°的掃描范圍，在短時(shí)間內實(shí)現大范圍三維地貌、地物和植被掃描，數據在水平和垂直方向上可達到厘米級精度。機載激光雷達掃描技術(shù)以其便利性、可重復性和絕對定位，以及數據的真三維性和前所未有的精度等優(yōu)勢，在地學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中得到日益廣泛應用和快速發(fā)展。

　　機載LiDAR系統主要由激光掃面系統、GPS、IMU、數碼相機、監控和控制系統組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統的核心部件，LiDAR傳感器是發(fā)射測量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺在空間中的姿態(tài)，GPS為L(cháng)iDAR系統提供精確的定時(shí)和定位數據。數碼相機可以為獲得高分辨率的影像數據，監控及控制系統在系統采集數據的同時(shí)為操作人員提供有效的實(shí)時(shí)監控信息。對以上數據進(jìn)行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等產(chǎn)品。

　　二、機載LiDAR技術(shù)的應用

　　隨著(zhù)計算技術(shù)以及GPS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應用，LiDAR技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)完全成熟。在使用攝影測量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區，LiDAR技術(shù)提供了一種直接獲取地形表面模型的有效手段。通過(guò)與影像以及信息的融合，LiDAR系統不僅僅局限于獲取數字高程模型數據等傳統的應用領(lǐng)域，而且廣泛應用于城市三維模型的直接獲取、GIS數據獲取、高壓線(xiàn)監測、林業(yè)監測等領(lǐng)域。LiDAR利用激光傳感器對地面進(jìn)行掃描，同時(shí)利用慣性導航系統實(shí)時(shí)定位飛機姿態(tài)，再加上GPS觀(guān)測坐標，還可以打開(kāi)LiDAR攜帶的數碼相機進(jìn)行航空攝影，獲取相片數據。利用這些高精度的數據可以得到大范圍高精度的4D產(chǎn)品。

　?。ㄒ唬┗A測繪

　　基礎測繪主要指的是對工程項目施工場(chǎng)地進(jìn)行的測繪工作，其工作目的在于實(shí)現工程項目的基本要求和主要施工目的。通常來(lái)說(shuō)，工程測繪是一種對有關(guān)測量物體的基本信息進(jìn)行搜集和整理的，因此在這一工作階段應當是以數字影像為主要技術(shù)要求進(jìn)行的。但是在工作中，因為數字影像本身存在著(zhù)工作力度繁瑣、施工內容復雜的特點(diǎn)，為此在工程項目中我們有必要針對其基本工作線(xiàn)路和施工技術(shù)要求來(lái)提前設置合理的程序和控制策略。經(jīng)過(guò)多年的工作實(shí)踐總結得出，在基礎測繪工作中采用LiDAR測繪技術(shù)可以有效的緩解傳統測繪技術(shù)所帶來(lái)的工作壓力，提高工作效率和工作進(jìn)度。這種技術(shù)在應用中是通過(guò)三維坐標的方式來(lái)實(shí)現對地面坐標的三維立體控制，從而達到精確坐標的要求。

　?。ǘ╇娏€(xiàn)路設計

　　在進(jìn)行電力線(xiàn)路設計時(shí)，通過(guò)LiDAR數據可以了解整個(gè)線(xiàn)路設計區域內的地形和地物要素的情況。尤其是在樹(shù)木密集處，可以估算出需要砍伐樹(shù)木的面積和木材量。在進(jìn)行電力搶修和維護時(shí)，根據電力線(xiàn)路上的LiDAR數據和相應的地面裸露點(diǎn)的高程可以測算出任意一處線(xiàn)路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護。

　?。ㄈ┕肪€(xiàn)路等工程優(yōu)化

　　激光雷達技術(shù)用于高速公路線(xiàn)路等工程優(yōu)化設計具有創(chuàng )新性和代表性，打破了傳統設計的方式方法，從數據獲取及處理、初步設計、優(yōu)化設計、終勘定位、三維模擬、運營(yíng)維護管理等方面建立了一體化的、三維可視化的系統性技術(shù)體系和支撐平臺。（1）原始數據采集：在航飛前要制訂飛行計劃，安置全球定位系統接收機、激光掃描測量、慣性測量、數碼相機等。（2）基礎數據處理：機載激光雷達測量系統在野外采集得到的數據需要進(jìn)行一定的處理才能得到需要的信息。數據處理的內容包括：確定航跡、激光掃描測量數據處理、數據分類(lèi)處理、坐標匹配、影像數據的定向和鑲嵌、建立三維地形模型。（3）線(xiàn)路優(yōu)化設計：以高精度、高分辨率正射影像和激光點(diǎn)云數據、數字高程模型數據為基礎，采用二、三維結合方式，結合架空高速公路線(xiàn)路設計業(yè)務(wù)需求，采用多人協(xié)同設計，實(shí)現高速公路線(xiàn)路路徑優(yōu)化設計的一體化全流程應用。

　　三、機載激光雷達測量系統檢校及消除系統誤差的方法

　　機載激光雷達測量系統是由多個(gè)部件集成在一起的測量系統。為了提高機載激光雷達對地定位的精度，在飛行作業(yè)之前，必須經(jīng)過(guò)仔細的檢校，以提高地面激光腳點(diǎn)坐標的對地定位精度。機載激光雷達測量系統的檢校比較繁雜，其中包括對每個(gè)部件的檢校以及確定它們之間的相互空間關(guān)系（空間配準）。本文主要討論如何確定傳確器之間的空間位置和方位關(guān)系。

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　　GPS/INS組合導航定位與測姿系統為獲取載體高精度的位置和姿態(tài)參數提供了有力的支持，這是機載激光雷達實(shí)現高精度對地定位的前提。為了高精度地求解每個(gè)激光腳點(diǎn)的位置坐標，除了要知道外方位元素（即三個(gè)姿態(tài)角）、飛機航跡以及激光掃描測距時(shí)提供的距離和掃描角外，還必須精確地知道定位定姿傳感器同激光掃描系統之間的空間關(guān)系，提供正確的內方位元素，這對于激光腳點(diǎn)的位置計算非常關(guān)鍵。內方位元素主要包括：（1）激光脈沖測距參考點(diǎn)同GPS相位中心間的偏移量tL-tG；（2）安置偏差角。

　　激光脈沖測距參考點(diǎn)同GPS相位中心間的偏移量通常是利用飛機在行檢校技術(shù)直接從機載激光雷達測量數據中估計出來(lái)。

　　INS坐標參考框架和激光掃描參考系統之間的安置角誤差是機載激光雷達中最大的系統誤差源。根據經(jīng)驗，這些安置角誤差通常為0.1°-0.3°。

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　　為了提高機載激光雷達的測量精度，最大可能地降低各種系統誤差的影響，一般有三種方法：一是建立誤差改正模型；二是儀器檢校；三是條帶平差改正。如果激光光束的空間方位有誤差，多條激光掃描條帶覆蓋同一掃描區域時(shí)（彼此重疊），不同航帶測定的同一點(diǎn)的坐標和高程間彼此會(huì )有差異，其產(chǎn)生原因是INS姿態(tài)測定時(shí)會(huì )帶來(lái)誤差（漂移和初始化），INS和激光掃描鏡安置時(shí)不能保證彼此軸系平行而產(chǎn)生安置角誤差等。根據這些差異建立相應的參數模型，利用一定的匹配技術(shù)將不同航帶的條帶重疊部分聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)最小二乘平差求解這些參數。然后利用求解出的參數改正每條航帶的激光腳點(diǎn)坐標。

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